第2章 壓力測量

第2章壓力測量,壓力：化工生產中，由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的力?；どa中，通常遇到壓力和真空度的測量。若壓力不符合要求，不僅會影響生產效率，降低產品質量，還會造成嚴重生產事故?；瘜W反應中，壓力既影響物料平衡關系，也影響化學反應速度。所以，壓力的測量與控制，對保證生產過程正常進行，達到高產、優(yōu)質、低消耗和安全是十分重要的,三種壓力表示方法,絕對壓力pa表壓力p負壓或真空度ph,第一節(jié)壓力單位及測壓儀表,絕對壓力是指物體所受的實際壓力。,表壓是指一般壓力表所測得的壓力，它是高于大氣壓力的絕對壓力與大氣壓力之差，即,真空度是指大氣壓與低于大氣壓的絕對壓力之差，有時也稱為負壓，即,由于各種工藝設備和檢測儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常采用表壓或者真空度來表示壓力的大小，一般的壓力檢測儀表所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說明之外，以后所提及的壓力均指表壓。,壓力檢測儀表的分類,目前工業(yè)上常用的壓力檢測方法和壓力檢測儀表很多，根據敏感元件和轉換原理的不同，一般分為四類：(1)液柱式壓力檢測一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進行測量。(2)彈性式壓力檢測它是根據彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉換成位移進行測量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。(3)電氣式壓力檢測它是利用敏感元件將被測壓力直接轉換成各種電量進行測量的儀表，如電阻、電荷量等。(4)活塞式壓力檢測它是根據液壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉換成活塞面積上所加平衡砝碼的質量來進行測量。活塞式壓力計的測量精度較高，允許誤差可以小到0.050.02，它普遍被用作標準儀器對壓力檢測儀表進行檢定。,液柱式壓力檢測,液柱式壓力檢測是以液體靜力學原理為基礎的，它們一般采用水銀或水為工作液，用U型管進行測量，常用于較低壓力、負壓或壓力差的檢測。,特點：直觀、可靠、準確度較高等，但U形管只能測量較低的壓力或差壓，為了便于讀數，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進行現場指示。,用U形管進行壓力檢測，其誤差來源主要有：溫度誤差由使用環(huán)境溫度的變化引起的測量誤差。它主要包括兩個方面：一是標尺長度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度系數極?。欢枪ぷ饕好芏入S溫度的變化。例如水，當溫度從10變到20時，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對變化量為0.15。安裝誤差當U形管安裝不垂直時將會產生安裝誤差。例如若傾斜5，讀數誤差約0.38。,第二節(jié)彈性式壓力計,彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉換成彈性元件位移的一種檢測方法。,膜片受壓力作用產生位移，可直接帶動傳動機構指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級。膜片更多的是和其他轉換元件合起來使用，通過膜片和轉換元件把壓力轉換成電信號；波紋管的位移相對較大，一般可在其頂端安裝傳動機構，帶動指針直接讀數。其特點是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測較低的壓力（1.0106Pa），但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達到1.5級；彈簧管結構簡單、使用方便、價格低廉，它使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量負壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應用十分廣泛。根據制造的要求，儀表精度最高可達0.15級。,彈簧管和彈簧管壓力表,彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270）的空心管子。,管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定端。,被測壓力介質從開口端進入并充滿彈簧管的整個內腔，由于彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢而產生力矩，其結果使彈簧管的自由端產生位移，同時改變其中心角。位移量（中心角改變量）和所加壓力有如下的函數關系：,式中0為彈簧管中心角的初始角；為受壓后中心角的改變量；R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸。,1彈簧管2拉桿3扇形齒輪4中心齒輪5指針6面板7游絲8調節(jié)螺釘9接頭圖3-18彈簧管壓力表,彈簧管自由端B的位移量一般很小，需要通過放大機構才能指示出來,為了加大彈簧管自由端的位移量，也可采用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。,單圈彈簧管壓力表是工業(yè)現場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀表（也有電接點輸出的彈簧管壓力表）,彈簧管壓力表結構簡單、使用方便、價格低廉、測量范圍寬，可以測量負壓、微壓、低壓、中壓和高壓,一般的工業(yè)用彈簧管壓力表的精度等級為1.5級或2.5級，但根據制造的要求，其精度等級最高可達0.15級。,在化工生產過程中，常需要把壓力控制在某一范圍內，即當壓力低于或高于給定范圍時，就會破壞正常工藝條件，甚至可能發(fā)生危險。這時就應采用帶有報警或控制觸點的壓力表。將普通彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點信號壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時，及時發(fā)出信號，以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實現壓力的自動控制。,警惕！,15,壓力表指針上有動觸點2，表盤上另有兩根可調節(jié)指針，上面分別有靜觸點1和4。當壓力超過上限給定數值時，2和4接觸，紅色信號燈5的電路被接通，紅燈發(fā)亮。若壓力低到下限給定數值時，2與1接觸，接通了綠色信號燈3的電路。1、4的位置可根據需要靈活調節(jié)。,16,膜盒式差壓變送器,工作原理：力矩平衡,檢測元件膜盒或膜片,杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿和矢量機構,膜盒式差壓變送器構成,P,測量部分,Fi,杠桿系統(tǒng),M,放大器,反饋部分,Ff,Io,定義,電氣式壓力計是一種能將壓力轉換成電信號進行傳輸及顯示的儀表。,17,第三節(jié)電氣式壓力計,組成,一般由壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置所組成。常用的信號處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機等。,圖2-5電氣式壓力計組成方框圖,18,第三節(jié)電氣式壓力計,工作原理,22,先將壓力的變化轉換為電容量的變化，然后進行測量。,一、電容式差壓變送器,第三節(jié)電氣式壓力計,一、電容式差壓變送器,電容式差壓變送器采用差動電容作為檢測元件主要包括測量部件和轉換放大電路兩部分：,差壓電容膜盒,電容-電流轉換電路,調零、零遷電路,電流放大器,反饋電路,p,C,Ii,If,Iz,Io,測量部分,轉換放大部分,第三節(jié)電氣式壓力計,P=0Ci1=Ci2=15pF,P0Ci1的電容量減小Ci2的電容量增大,差動電容測量原理,電容式差壓變送器測量原理,電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產中應用非常廣泛，其輸出信號也是標準420mADC電流信號。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉換為電容量的變化，然后進行測量的。,電容式差壓變送器的原理圖可見傳感器有左右固定極板，在兩個固定極板之間是彈性材料制成的測量膜片，作為電容的中央動極板，在測量膜片兩側的空腔中充滿硅油。電容式差壓變送器的結構可以有效地保護測量膜片，當差壓過大并超過允許測量范圍時，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式沒有杠桿傳動機構，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應提高，可達0.2級。,19,應變片式壓力傳感器利用電阻應變原理構成。電阻應變片有金屬和半導體應變片兩類，被測壓力使應變片產生應變。當應變片產生壓縮（拉伸）應變時，其阻值減小（增加），再通過橋式電路獲得相應的毫伏級電勢輸出，并用毫伏計或其他記錄儀表顯示出被測壓力，從而組成應變片式壓力計。,二、應變片壓力/差壓變送器,二、應變片壓力/差壓變送器,利用金屬或半導體材料制成的電阻體的阻值可表示為：,當電阻體受外力作用時，電阻體的長度、截面積或電阻率會發(fā)生變化，即其阻值也會發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱為應變效應。應變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。,應變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應變片r1和r2用膠合劑貼緊在應變筒的外壁，與筒體之間不發(fā)生相對滑動。r1沿應變筒軸向貼放，作為測量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補償片。圖中應變片r1、r2的靜態(tài)性能完全相同。當膜片受到外力作用時，彈性筒軸向受壓，使應變片r1產生軸向應變，阻值變?。欢鴳兤瑀2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實際上，r2的變化量比r1的變化量要小，r2的主要作用是溫度補償。,是應變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個阻值相等的精密固定電阻。,不受壓時r1=r2=r0R3=R4=r,若應變片受壓，則：r1=r0+r1；r2=r0+r2(r1r2),由此可見，由壓力作用時，r1和r2一減一增，使電橋由較大的輸出；當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，r1、r2同時增減，不影響電橋的平衡。如果儀表能把電橋輸出電壓Ui進一步轉換為標準信號輸出，則該儀表即可稱為應變式壓力變送器。,結論：應變片式壓檢測儀表具有較大的測量范圍，被測壓力可達幾百MPa，并具有良好的動態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量。但是，盡管測量電橋具有一定的溫度補償的作用，應變片式壓力檢測儀表仍有比較明顯的溫漂和時漂，因此，這種壓力檢測儀表較多地用于一般要求的動態(tài)壓力檢測，測量精度一般在0.51.0左右。,三、壓阻式（擴散硅）壓力/差壓變送器,因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應比較明顯。用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機械穩(wěn)定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，以擴散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓力檢測儀表得到了廣泛的使用。,三、壓阻式（擴散硅）壓力/差壓變送器,壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應而構成。采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內。當壓力發(fā)生變化時，單晶硅產生應變，使直接擴散在上面的應變電阻產生與被測壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應的電壓輸出信號。,工作原理,三、壓阻式（擴散硅）壓力/差壓變送器,特點,精度高、工作可靠、頻率響應高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結構簡單；,便于實現顯示數字化；,可以測量壓力，稍加改變，還可以測量差壓、高度、速度、加速度等參數。,構成框圖：,擴散硅壓阻傳感器,前置放大器,調零電路,VI轉換,P,US,U01,UZ,IO,檢測部分,電磁放大部分,測量部分擴散硅壓阻傳感器,把被測差壓P成比例地轉換為不平衡電壓US,1.負壓室2.正壓室3.硅杯4.引線5.硅片,測量部分惠斯頓電橋,不受壓時：Ri1Ri2Ri3Ri4R,測量部分電壓轉換,受壓時：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2,受壓時，流經2橋臂的電流始終相等,結論：壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點是體積小，結構簡單，其核心部分就是一個既是彈性元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴散電阻的靈敏系數是金屬應變片的幾十倍，能直接測量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動態(tài)響應，遲滯小，可用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動壓力。因此，這是一種發(fā)展比較迅速，應用十分廣泛的一類壓力傳感器。這種傳感器的缺點則是擴散電阻存在溫度效應，容易受環(huán)境溫度的影響，有些廠家在傳感器組件中提供了若干校正用的溫度補償電路，甚至把放大轉換等電路集成在同一塊單晶硅膜片上，從而可以大大提高傳感器的基本性能。,四、霍爾片式壓力傳感器,霍爾片式壓力傳感器是根據霍爾效應制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉換成霍爾電勢，從而實現壓力的測量。,圖3-9霍爾效應,霍爾電勢可用下式表示,式中，UH為霍爾電勢；RH為霍爾常數，與霍爾片材料、幾何形狀有關；B為磁感應強度；I為控制電流的大小。,四、霍爾片式壓力傳感器,注意,霍爾電勢與磁感應強度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢UH，但兩者都有一定限度，一般I為320mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢UH約為幾十毫伏數量級。,導體也有霍爾效應，不過它們的霍爾電勢遠比半導體的霍爾電勢小得多。,四、霍爾片式壓力傳感器,將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖3-10所示。,圖3-10霍爾片式壓力傳感器,1彈簧管；2磁鋼；3霍爾片,當被測壓力引入后，在被測壓力作用下，彈簧管自由端產生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置，使所產生的霍爾電勢與被測壓力成比例。,利用這一電勢即可實現遠距離顯示和自動控制。,五、力矩平衡式壓力傳感器,力矩平衡式壓力變送器是一種典型的自平衡檢測儀表，它利用負反饋的工作原理克服元件材料、加工工藝等不利因素的影響，使儀表具有較高的測量精度（一般為0.5級）、工作穩(wěn)定可靠、線性好、不靈敏區(qū)小等一系列優(yōu)點。,五、力矩平衡式壓力傳感器,該變送器是按力矩平衡原理工作的。根據主、副杠桿的平衡條件可以推導出被測壓力p與輸出信號I0的關系。,當主杠桿平衡時，應有,（3-14）,式中，、分別為Fi、F1離支點O1的距離。,（3-15）,將式（3-13）代入式（3-14），有,式中,為一比例系數。,五、力矩平衡式壓力傳感器,而,式中，、分別為F2及電磁反饋力離支點O2的距離。,將式（3-18）代入式（3-17），得,（3-18）,（3-17）,（3-19）,（3-16）,聯(lián)立式（3-16）與（3-19），得,（3-20）,式中，為轉換比例系數。,第四節(jié)智能式變送器,智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表。,一、智能變送器的特點,性能穩(wěn)定,可靠性好,測量精度高,基本誤差僅為0.1%。量程范圍可達1001,時間常數可在036s內調整,有較寬的零點遷移范圍。,具有溫度、靜壓的自動補償功能,在檢測溫度時,可對非線性進行自動校正。具有數字、模擬兩種輸出方式,能夠實現雙向數據通訊,可以與現場總線網絡和上位計算機相連?？梢赃M行遠程通訊,通過現場通訊器,使變送器具有自修正、自補償、自診斷及錯誤方式告警等多種功能,簡化了調整、校準與維護過程,使維護和使用都十分方便。,第四節(jié)智能式變送器,二、智能變送器的結構原理,從整體上來看,由硬件和軟件兩大部分組成。,從電路結構上來看,包括傳感器部件和電子部件兩部分。,圖2-93051C型智能差壓變送器（420mA）方框圖,第四節(jié)智能式變送器,3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤及液晶顯示器。可以接在現場變送器的信號端子上，就地設定或檢測，也可以在遠離現場的控制室中，接在某個變送器的信號線上進行遠程設定及檢測。,第四節(jié)智能式變送器,第五節(jié)壓力計的選用和安裝,選用安裝,其它儀表也基本適應,一、壓力計的選用,三個方面選用時應根據生產工藝對壓力檢測的要求、被測介質的特性、現場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的量程、精度、類型（材質）等。,量程,儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被測量進行測量的范圍關鍵：根據操作中需要測量的參數的大小來確定。同時必須考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。測量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/4測量脈動壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3測量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/5最小工作壓力Pimin不低于上限值Pmax的1/3儀表的量程等級：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。在選用儀表量程時，應采用相應規(guī)程或者標準中的數值。,這只是一個一般經驗要求，不是絕對的！,儀表精度,根據生產允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應小于儀表的基本誤差。在選擇時應堅持節(jié)約的原則，只要測量精度能滿足生產的要求，就不必追求用過高精度的儀表。,例：有一壓力容器在正常工作時壓力范圍為0.40.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進行檢測，并使測量誤差不大于被測壓力的4，試確定該表的量程和精度等級。,解：,由題意可知，被測對象的壓力比較穩(wěn)定，設儀表量程為0AMPa，則,根據工作壓力的要求：,根據儀表的量程系列，可選用量程范圍為01.0MPa的彈簧管壓力表。,由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為：max=0.4*4%=0.016MPa這就要求所選儀表的相對百分誤差為：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照儀表的精度等級，可選擇15級的壓力表。,儀表類型,正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產的前提。主要應考慮以下幾個方面:,儀表的材料,壓力檢測(檢測儀表)的特點是壓力敏感元件往往要與被測介質直接接觸，因此在選擇儀表材料的時候要綜合考慮儀表的工作條件。,輸出信號類型,只需觀察壓力變化的，可選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計那樣的直接指示型的儀表；如需將壓力信號遠傳到控制室或其他電動儀表，則可選用電氣式壓力檢測儀表或其他具有電信號輸出的儀表；如果要檢測快速變化的壓力信號，則可選用電氣式壓力檢測儀表，如壓阻式壓力傳感器；如果控制系統(tǒng)要求能進行數字量通信，則可選用智能式壓力檢測儀表。,例如：對腐蝕性較強的介質應使用像不銹鋼之類的彈性元件或敏感元件；氨用壓力表則要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金，因為氨氣對銅的腐蝕性極強；又如氧用壓力表在結構和材質上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因為油進入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。,使用環(huán)境,對爆炸性較強的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時，應選擇防爆型壓力儀表；對于溫度特別高或特別低的環(huán)境，應選擇溫度系數小的敏感元件以及其他變換元件。,上述選型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測儀表的選型,二、壓力計的安裝,分三種情況介紹：,一般壓力檢測儀表的安裝特殊壓力檢測儀表的安裝（高溫、高壓、腐蝕等）壓力變送器的安裝,一般壓力測量儀表的安裝,無論選用何種壓力儀表和采用何種安裝方式，在安裝過程中都應注意以下幾點：壓力儀表必須經檢驗合格后才能安裝壓力儀表的連接處，應根據被測壓力的高低和被測介質性質，選擇適當的材料作為密封墊圈，以防泄漏壓力儀表盡可能安裝在室溫，相對濕度小于80，振動小，灰塵少，沒有腐蝕性物質的地方，對于電氣式壓力儀表應盡可能避免受到電磁干擾壓力儀表應垂直安裝。一般情況下，安裝高度應與人的視線齊平，對于高壓壓力儀表，其安裝高度應高于一般人的頭部測量液體或蒸汽介質壓力時，應避免液柱產生的誤差，壓力儀表應安裝在與取壓口同一水平的位置上，否則必須對壓力儀表的示值進行修正導壓管的粗細合適，一般為610mm，長度盡可能短，否則會引起測量遲緩壓力儀表與取壓口之間應安裝切斷閥，以便維修,測量特殊介質時的壓力測量儀表安裝,測量高溫（60以上）流體介質的壓力時，為防止熱介質與彈性元件直接接觸，壓力儀表之前應加裝U形管或盤旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對測量精度和彈性元件產生的影響。如圖(a)、(b),測量高壓流體介質的壓力時，安裝時壓力儀表表殼應朝向墻壁或者無人通過之處，以防發(fā)生以外。測量腐蝕性介質的壓力時，除選擇具有防腐能力的壓力儀表之外，還應加裝隔離裝置，利用隔離罐中的隔離液將被測介質和彈性元件隔離開來，如圖(c)、(d),測量波動劇烈（如泵、壓縮機的出口壓力）的壓力時，應在壓力儀表之前加裝針形閥和緩沖器，必要時還應加裝阻尼器，如圖(e),測量粘性大或易結晶的介質壓力時，應在取壓裝置上安裝隔離罐，使罐內和導壓管內充滿隔離液，必要時可采取保溫措施，如圖(f),測量含塵介質壓力時，最好在取壓裝置后安裝一個除塵器，如圖(g)。,總之，針對被測介質的不同性質，要采取相應的防熱、防腐、防凍、防堵和防塵等措施,差壓變送器的安裝,三個方面的內容：取壓口的選擇引壓管的安裝變送器本身的安裝,差壓變送器取壓口的選擇,液體、氣體、蒸汽？,被測介質為液體時，取壓口應位于管道下半部與管道水平線成045角內，目的是保證引壓管內沒有氣泡，兩根引壓管內液柱產生的附加壓力可以相互抵消；問：能否從底部引出？為什么？,被測介質為氣體時，取壓口應位于管道上半部與管道垂直中心線成045角內，其目的時為了保證引壓管中不積聚和滯留液體。,被測介質為蒸汽時，取壓口應位于管道上半部與管道水平線成045角內。最常見的接法是從管道水平位置接出，并分別安裝凝液罐，這樣兩根引壓管內部都充滿冷凝液，而且液位高度相同。,差壓變送器引壓管的安裝,引壓管應按最短距離敷設，引壓管的彎曲處應該是均勻的圓角，曲率半徑一般不小于引壓管外徑的10倍。引壓管的管路應保持垂直，或者與水平線之間不小于1:10的傾斜度，必要時要加裝氣體、凝液、微粒收集器等設備，并定期排除收集物。,引壓管內徑與引壓管長度,在測